Analyzing the environmental impacts of a 145 kV GIS over its complete lifecycle

Abstract

High-voltage switchgears are a vital equipment to ensure the grid operation, whose impact on the environment can be calculated with a Life Cycle Assessment. Removing SF₆ helps to reduce the carbon footprint of the switchgear but it usually deteriorates the other impacted categories.

This work compares the impact of two 145 kV GIS: one based on SF₆ and one with a C4-FN-based mixture as insulating and arc-extinguishing media. Using a C4-FN mixture, the footprint of the equipment is mostly reduced to manufacturing emissions and electricity consumption in service. The limitation of the mass increase appears to be key to minimize all environmental impacts, including the effect on climate change.

Some parameters of the assessment are also discussed to highlight the variability of the results depending on the user’s requirements, even for a given layout, e.g., due to the low-voltage and instrument transformer specification.

The use of recycled or recyclable material is also distinguished. Both are very important, however, only the first one really reduces the carbon footprint of the solution. The evolution in the coming decades of the electricity generation mix is also discussed and cannot be considered in the calculation. Overall, the manufacturing phase should consider real figures and avoid double counting.

Zusammenfassung

Hochspannungsschaltanlagen sind wichtige Betriebsmittel zur Sicherstellung des Netzbetriebs, deren Auswirkungen auf die Umwelt mit einem Life Cycle Assessment berechnet werden können. Der erwünschte SF₆-Ausstieg trägt dazu bei, den CO₂-Fußabdruck der Schaltanlage zu reduzieren, kann jedoch zu einer Verschlechterung anderer Kenngrößen führen.

Diese Arbeit vergleicht den LCA von zwei 145 kV-GIS: eine basierend auf SF₆ und einer Lösung mit C4-FN als Isolier- und Löschmedium. Durch den Einsatz einer C4-FN-Mischung wird der Fußabdruck der Anlage größtenteils auf die Herstellungsemissionen und den Stromverbrauch der GIS im Betrieb reduziert. Die sehr guten dielektrischen Eigenschaften der C4-FN-Variante erlauben es, GIS mit denselben Dimensionen sowie nahezu identischem Materialbedarf und Masse zu bauen. Dies ist der Schlüssel zur Minimierung der Umweltauswirkungen, einschließlich Einfluss auf den Klimawandel.

Einige Parameter der Berechnung werden ebenfalls besprochen, um die Variabilität der Ergebnisse in Abhängigkeit von den Anforderungen des Benutzers hervorzuheben, selbst für ein bestimmtes Layout, z. B. aufgrund der Niederspannungs- und Messwandlerspezifikation.

Auch die Verwendung von recyceltem oder wiederverwertbarem Material wird unterschieden. Beides ist sehr wichtig, aber nur recyceltes Material verringert wirklich den CO₂-Fußabdruck der kompletten Lösung. Die Veränderung des Stromerzeugungsmixes in den kommenden Jahrzehnten wird diskutiert, darf aber in die Berechnung der heutigen Produkte nicht einfließen. Insgesamt sollten in der Herstellungsphase reale Zahlen berücksichtigt und Doppelzählungen vermieden werden.